单位文秘网 2021-10-05 08:31:04 点击: 次
摘要:根据基带传输相关课程内容的特点,提出采用MATLAB/Simulink仿真来进行演示和实验以解决相关的问题。同时阐述了使用MATLAB/Simulink对基带传输系统仿真的过程。
关键词:基带传输;仿真
中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)13-3187-02
Application of MATLAB in Base Band Transmission Teaching
LI Le
(College of Computer Science and technology, Southwest University of Scinece and Technology, Mianyang 621010, China)
Abstract: According to the character of the course of base band transmission, A method was proposed in this paper that take MATLAB/Simulink as tool to solve some issues during the course. Then display the process of base band transmission simulation.
Key words: base band transmission; simulation
数字信号的基带传输是通信系统中的一个重要环节,对基带传输研究的意义在于现代通信系统中广义上的任一线性调制的频带传输系统均可等效为基带传输系统,即数字基带传输中本就包含了频带传输的一些基本问题。同时,就数字基带传输自身而言,随着数字通信技术的发展也被越来越多的应用[1]。在基带传输理论学习过程中涉及到的信道编码、传输信道特性、接收滤波、抽样判决等环节存在较为抽象不易理解的问题,如果不经过实践环节,这些抽象的计算和变换难以较快的掌握。但对于非通信专业的课程教学而言,通常缺乏专用的仪器或者实验设备来支撑这个实践环节的运作。
MATLAB是一款功能强大的工程技术数值运算跨平台语言,利用它的通信工具箱和可视化仿真模型库Simulink可有效实现通信系统的仿真。Simulink可对动态系统进行建模、仿真并对仿真结果进行分析,其可视化建模的特点尤其适合于通信系统仿真等工作[2]。采用MATLAB平台仿真的方法可以在一定程度上克服没有仪器设备带来的问题,以比较灵活的方式完成相关课程内容的实验,从而加深对理论知识的掌握。本文将从系统仿真的角度来探讨MATLAB在基带传输教学中的应用。
1 基带传输系统的基本问题
未经调制的数字信号所占据的频谱是从零频或者低频开始,称为基带信号,基带信号可以不经过载波调制而直接进行传输,而这种传输系统就是基带传输系统。一个典型的数字基带传输系统由发送滤波器、信道、接收滤波器、抽样判决器等模块构成,如图1所示。发送滤波器用于产生适合于信道传输的基带信号波形;信道是允许基带信号的介质;接收滤波器用来接收信号,并滤除信道噪声和干扰,使输出波形有利于抽样判决;抽样判决器则是在规定时刻对接收滤波器的输出波形进行抽样判决,以再生基带信号。
从波形失真的角度考虑系统,可以用滤波器来表示系统各部分特性。设系统是一个线性系统,发送滤波器的传输函数为GT(f),接收滤波器的传输函数为GR(f),信道的传输函数为C(f),可得到简化的数字基带传输系统框图,即传输特性可表达为
H(f)=GT(f)C(f)GR(f)
2 基带传输系统的仿真
根据对基带传输系统的分析,把系统分解成信号发生器、发送/接收滤波器、传输信道、Manchester 编/解码器、位定时提取电路和采样判决电路这几个子系统,对子系统分别进行构造和测试。这些子系统是由Simulink 模块库提供的基本模块以及通信工具箱、数字信号处理工具箱提供的专用模块搭建并且经过封装形成的。为了显示仿真结果, 在模型中添加了示波器(Scope)、功率谱密度仪(Power Spectral Density)、眼图(Eye-diagram plot)、误码仪(Error rate) 等功能模块。 图2是数字基带传输系统实验的仿真模型。下面将其中几个模块的设计与仿真进行阐述。
2.1 信号生成模块
信号源采用source (信号模块库) 的模块Unifor Random Number (产生均匀分布的随机数) 。该模块用于产生在指定时间区间内的有起始种子的随机数, 它的参数Sample time =0.000000477(见图3)。其它参数保持默认值, 因而它产生的值在0~1 之间变化, 在用Nonlinear (非线性模块库) 的模块Switch (两个输入模块) 进行判决。
2.2 编、译码器模块
采用s 函数设计编码程序。HDB3 码对输入的基带信号要求一次至少读入四位进行比较和输出, 但从Simulink中对离散系统工作状态可以知道一次只能判决一位, 因此必须采用对前三位延时保留一个码元持续时间T = 1/ 2097152(s) , 即系统采样时间。s 函数的采样时间特性设为继承前一模块, 设置sample time = - 1 。对于基带信号的延迟设置, 采用Simulink模块库中提供的Unit Delay (单位延迟器) 。对其中所有Unit Delay 模块设置初始信号为1 , 采样时间为继承其它的模块, 即Sample Time= - 1 。为节省内存空间, 在s 函数中只设有限个变量, 在充分利用原有变量的原则下, 考虑利用输入变量u 的向量特性, 把输入的4 个信号用Simulink提供的singals &systems (信号与系统) 模块库的模块Mux(向量合成模块) 输入向量u。
2.3 滤波器
由于发送滤波器的输入信号是不归零信号而不是冲激信号, 因此在滤波器的输入端采取了均衡措施, 使其输出的波形为标准的升余弦脉冲。另外由于升余弦滤波器是非因果滤波器, 滤波器当前的输出依赖于未来时刻的输入, 为解决这一问题, 在滤波器中人为地增加了时间延迟, 延迟的时间是码速率的整数倍。仿真中, 使用SIMULINK提供的Discrete (离散模块库) 中的模块Discrete Fil2ter (离散滤波器) , 也可以生成等效理想低通特性的升余弦滤波器。
2.4 信道
信道引入加性高斯白噪声, 理论上高斯白噪声的功率谱是无限宽的, 但是在系统中只要噪声带宽远大于系统的最高带宽就可以满足要求, 因此在信道中引入的是限带高斯白噪声。噪声源用相关时间比系统最短时间常数小得多的高斯分布随机序列发生器来模拟。可以采用wgn函数来实现,如图4所示。
2.5 抽样判决器和同步提取
抽样部分可用math (数学库)中的模块product (乘法器) 来实现。模块product的功能是对每个输入进行乘法运算, 然后输出。由于是对定时信号和信息求积, 则它的参数Number of inputs = 2 。判决部分用两个Nonlinear (非线性模块库)模块Switch来比较。在仿真中用math 库中的模块gain (增益模块)和Nonlinear 中的模块Saturation (饱和度模块)来进行放大限幅。滤波器使用窄带滤波器。采用Simulink模块库中提供的Unit Delay(单位延迟器) 模仿移相器的功能, 用时间延迟来实现相位的变化, 通过合理选定时间实现最佳判决。3 仿真结果
运行仿真时, 可通过不同的显示模块观看到仿真实验系统各点的仿真结果。包括接收端波形和不同信噪比的眼图、功率谱密度、仿真系统误码率曲线与理想系统误码率曲线比较的结果等。如图6、图7所示。
4 结束语
通过使用MATLAB/Simulink 仿真实验的方式,可以比较清晰、形象的实现基带传输的基本过程。借助这一工具,将抽象的理论计算与推导过程可视化,在不增加额外成本和条件的情况下,能够帮助学习者更好的理解其基本原理与过程。
参考文献:
[1] 樊昌信,曹丽娜.通信原理[M].北京:国防工业出版社,2010.
[2] 王沫然.SIMULINK建模和仿真[M].北京:电子工业出版社,2002.
[3] 李永军,徐晓蓉,陈立家.数字基带传输系统仿真分析[J].河南大学学报:自然科学版,2010,40(4).
注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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